超高韧性水泥基材料的制备技术

张翼，王冲，张超，张进，唐清远

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆400045)

超高韧性水泥基材料的制备技术

张翼，王冲，张超，张进，唐清远

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆400045)

分别采用活性粉末混凝土(RPC)和渗浇钢纤维混凝土(SIFCON)两种制备工艺，根据水泥基材料结构的多尺度特征，研究了由碳酸钙晶须和微钢纤维复合增强的超高韧性水泥基材料(Ultra-High-Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的制备技术，测试UHTCC不同配比的抗压强度、抗折强度、抗弯强度以及单轴拉伸性能，采用折压比、韧性指数等多个指标对UHTCC的韧性进行了评价。试验表明：UHTCC的抗压强度、抗折强度、抗弯强度以及延性和韧性都远高于普通钢纤维混凝土，其抗弯强度最高达65.1 MPa、韧性指数I20最高达49.21，单轴拉伸试验时呈现明显的假应变硬化行为，极限拉应变可达4%～8%。相对而言，利用SIFCON工艺制得的水泥基材料韧性更高。

超高韧性水泥基材料；拉伸应变；韧性指数；碳酸钙晶须；钢纤维

现代建筑逐渐向高层化、大跨化方向发展，因此，高强高韧化成为混凝土的主要发展方向之一。水泥基复合材料具有多尺度的结构特征[1-2]，包括由水泥水化产物(水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、钙矾石等)构成的微观结构，由骨料、水泥水化产物、孔隙、界面等构成的细观结构以及由水泥基材料与纤维材料等构成的宏观结构。此外，水泥基材料破坏过程实质是内部裂缝产生及发展的过程。因此，从全尺度对混凝土的脆性进行改善是增韧的最佳方式。

Lankard[3]于1983年研制出了SIFCON。通过将流动的砂浆或水泥浆注入提前铺满钢纤维的模具中硬化成型制得的SIFCON，钢纤维掺量可达3%～27%[4-7]。根据钢纤维体积掺量的不同，SIFCON抗压强度可达26～207 MPa，抗弯强度可达13～137.9 MPa，且受拉韧性指标可达普通混凝土的600～1 000倍，即表面能高于素混凝土2～3个数量级[8]。SIFCON所具有的优越性能，使其已经广泛应用于道路、修补、加固等工程及一些抗震、防爆结构中。

法国Bouygues公司在20世纪90年代末研制出了RPC[9]。RPC主要通过5个措施来来减少混凝土的内部缺陷(裂缝和空隙)：1)不使用粗骨料以改善均匀性；2)提高组分细度，优化颗粒级配提高堆积密度；3)在混凝土凝结过程中加压提高密实性；4)提高组分活性，在混凝土凝结后热处理改善微观结构；5)利用小尺寸的钢纤维提高韧性。由于内部缺陷的减少，RPC抗压强度可达200～800 MPa、抗拉强度可达25～150 MPa，断裂能可达30 kJ/m2[7]。虽然RPC性能优异，但因为制备时采用了加压和热处理等特殊工艺，所以,目前在应用上受到很大限制。

本文分别采用RPC与SIFCON两种制备工艺，并以碳酸钙晶须和微钢纤维复合对水泥基材料微观、细观和宏观结构进行全尺度增韧，按照两个方案制备UHTCC：1)根据RPC制备原理，采用常规材料(水泥、矿粉和硅灰作为胶凝材料，石英砂作为骨料)制备基体，并采用中高掺量微钢纤维增加基体韧性，再以不同掺量的碳酸钙晶须对其进一步改性增韧；2)采用渗浇钢纤维混凝土的制备工艺，并以不同掺量的碳酸钙晶须进行改性。对两个方案制备的UHTCC进行了性能测试和韧性评价。

1 原材料及试验方法

1.1 原料和配合比

原材料：1)水泥(P·O 42.5R)、矿粉和硅灰的主要化学成分见表1；2)石英砂(级配Ⅱ区，细度模数：2.9)；3)微钢纤维及碳酸钙晶须的部分性能如表2所示；4)聚羧酸高性能减水剂(固含量：59.5%)。

表1 胶凝材料主要化学成分Table 1 Chemical components of cementitious materials %

表2 微钢纤维及碳酸钙晶须性能Table 2 Properties of micro steel fiber and calcium carbonate whisker

为研究微钢纤维、碳酸钙晶须对水泥基材料协同增韧作用，设置了多组配合比。方案1和方案2的试验配合比分别如表3和表4所示。

表3 方案1配合比Table 3 Mix proportions of scheme 1

表4 方案2配合比Table 4 Mix proportions of scheme 2

1.2 试件的制备

方案1：首先,将胶凝材料(包括水泥、矿粉及硅灰)、石英砂和晶须投入搅拌机中，干拌1 min，然后，加水和减水剂再搅拌5～8 min，此时的砂浆基体具有良好的流动性和适宜的粘聚性，最后，人工加入微钢纤维搅拌12～18 min，得到均匀的拌合物，装模后在振动台上振捣5～10 min成型，在室温下静置1 d拆模，放入湿度≥95%、温度20±2 ℃的养护室中养护，测试龄期时取出进行试验。

方案2：首先，将胶凝材料和晶须投入搅拌机中， 干拌1 min，然后，加水和减水剂再搅拌5～8 min，最后，在振动台上将水泥浆倒入均匀铺满微钢纤维的模具中抹面成型。养护方式同方案1。

试验中，每一力学性能试件为3组，试验用棱柱体模具为钢模，其余为亚克力模具。

1.3 性能测试方法

1.3.1 抗折与抗压性能 试验参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件。

1.3.2 抗弯性能 用400 mm×100 mm×15 mm的薄板试件进行四点弯曲测试。采用新三思CMT5305(300 kN 精度0.5级)万能试验机，测试跨度为300 mm，加载速度恒为0.4 mm/min，直至试件上某一裂缝出现局部化扩展破坏时试验停止，加载速度及数据收集皆由计算机完成。

1.3.3 直接拉伸性能 直接拉伸性能采用图1所示试件，测试仪器为新三思CMT5504(100 kN 精度0.5级)万能试验机。为避免试件在变形监测区以外开裂或破坏，试件设置过渡区且使用AB胶粘接碳纤维布对过渡区增强，待胶水固化达一定强度后进行测试。试验时加载速率恒为0.4 mm/min，直至试件上某一裂缝出现局部化扩展破坏时试验停止，加载速度及数据收集皆由计算机完成。

图1 拉伸试件形状及尺寸(单位：mm)Fig.1 shape and size of tensile specime

2 结果与讨论

2.1 抗压、抗折性能

从表5中可以看出，方案1制备的UHTCC的抗压、抗折强度与J组相比有较大提升，其中，S3W1组的28 d抗压强度、抗折强度较J组分别提升了69.4%、94.2%。UHTCC与对应同钢纤维掺量的S1～S3组相比早期抗压强度有所下降，但是随着龄期增长差距逐渐减小甚至反超，可能是水泥基体早期水化产物较少，晶须的掺加引入更多界面，因此，影响了微钢纤维与水化产物的粘接，随龄期增长，水化不断进行水化产物增多，其与纤维的粘接增强。此外，当钢纤维体积一定时，随着晶须掺量的增加，混凝土抗折、抗压强度都是先增加后下降，且基本都在晶须掺量为1%时达到极值，这说明，混掺时晶须掺量不宜过高，过高时晶须分散不均匀而难以达到理想的增强增韧效果。

表5 UHTCC抗压、抗折性能测试结果Table 5 The performance results of compressiveand flexural experiment

方案2制备的Y2SW03、Y2SW1两组UHTCC试件的7、28 d抗折强度较未掺晶须的Y2S组提升明显，说明钢纤维及晶须发挥了多尺度协同增韧作用。此外，由于方案2制得的试件微钢纤维掺量高达12.2%，所以，受压时已具备可与金属比拟的塑性，如图2所示。试件受压时主要表现为塑性变形，抗压强度测试已无意义。

图2 UHTCC试件受压时发生明显塑性变形(方案2)Fig.2 Obvious plastic deformation of UHTCC specimen under compressive experiment (Scheme

2.2 四点弯曲性能

图3 UHTCC四点弯曲试验时的荷载位移曲线(方案1)Fig.3 Load-displacement curve of UHTCC under four-point bending test (Scheme

图4 UHTCC四点弯曲试验时的荷载位移曲线(方案2)Fig.4 Load-displacement curve of UHTCC under four-point bending test (Scheme

如表6所示，无论是方案1还是方案2制得的UHTCC，其28 d抗弯强度及峰值位移都较J组有不同程度的提高。方案1所得UHTCC抗弯强度约为J组的1.2～1.4倍，峰值位移约为J组的1.4～2.8倍，UHTCC的抗弯强度及相应峰值位移随钢纤维掺量的增加而增加；而方案2所得UHTCC抗弯强度约为J组的3.2～3.6倍，峰值位移约为J组的14.3～15.5倍，且随着晶须掺量的增加，抗弯强度及相应峰值位移均有上升的趋势。方案1制得的UHTCC峰值位移随着钢纤维掺量增加而提升，此外，方案2制备的试件峰值位移远高于方案1，说明纤维掺量的增加有利于抑制裂缝的发展，延缓荷载峰值的出现，从而提升其韧性。

表6 部分试件弯曲韧性参数Table 6 Bending toughness parameters of some specimens

普通钢纤维混凝土的初始裂缝强度一般低于10 MPa，从表6可看出，方案1制得超高韧性混凝土初始裂缝强度均在10 MPa以上。方案2制得UHTCC的初始裂缝强度高达18.8 MPa以上，且其韧性指数I20可达47以上，远高于普通钢纤维混凝土。初始裂缝强度的提高表明UHTCC抗裂能力的提高，也说明晶须能够抑制微细观裂缝的产生及发展。韧性指数大幅提升说明UHTCC在初始裂缝产生后没有马上发生脆性破坏，而是存在明显的裂缝扩展阶段，发生了明显的塑性变形。

2.3 直接拉伸性能

表7 部分试件抗拉强度Table 7 Tensile strength of some specimens

图5 UHTCC直接拉伸时的应力应变曲线(方案1)Fig.5 Stress-strain curve of UHTCC under uniaxial tension (Scheme 1)

图6 UHTCC直接拉伸时的应力应变曲线(方案2)Fig.6 Stress-strain curve of UHTCC under uniaxial

表8 弯曲荷载位移曲线、拉伸应力应变曲线投影面积Table 8 The Projection areas of bending load-displacementcurve and tensile stress-strain curve

3 结论

1)两种方案所研制的UHTCC包括抗压强度、抗折强度、抗拉强度以及抗弯强度，相较于普通钢纤维混凝土都得到大幅提升。尤其是方案2通过渗浇工艺制备的UHTCC抗弯强度可达61 MPa以上，抗拉强度最高可达21.1 MPa。

2)UHTCC表现出远高于普通钢纤维混凝土的韧性和延性。方案1制得的UHTCC极限拉应变可达4%～8%,而方案2极限拉应变也可达4%以上。此外，方案2制得的UHTCC受压时具备可与金属比拟的塑性变形，韧性指数I20也可达47以上。

3)试验证明多尺度优化增韧设计所得UHTCC的韧性明显要优于单一手段增韧所得混凝土。碳酸钙晶须能与微钢纤维性能互补协同增强水泥基材料，改善其韧性，且增韧适宜的掺量为1%。

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2017-05-12

National Key Research & Development (R & D) Plan(No. 2017YFB0310003)

AuthorbriefZhang Yi(1995-), main research interest：high performance concrete,E-mail: 842805054@qq.com.

Wang Chong(corresponding author),professor, doctoral supervisor, E-mail: wangchnx@126.com.

Preparationtechnologyoftheultra-high-toughnesscementitiouscomposite

ZhangYi,WangChong,ZhangChao,ZhangJin,TangQingyuan

(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045,P.R.China)

The preparation technology of reactive powder concrete (RPC) and slurry infiltrated fiber concrete (SIFCON)were adopted respectively, according to the multi scale structure characteristic of cementitious composites, the preparation technology of the ultra-high-toughness cementitious composite(UHTCC) reinforced by calcium carbonate whisker and micro steel fiber were studied, and the compressive strength, flexural strength, bending strength and mechanical properties uniaxial tension of different mixture proportions were tested. The ratio of flexural-compressive strength, toughness index and other more index were used to evaluate the toughness of the UHTCC. The experimental results indicate that the compressive strength, flexural strength, bending strength, ductility and toughness of UHTCC are much higher than those of general steel fiber concrete. The bending strength of UHTCC and the toughness indexI20are up to 65.1MPa and 49.21 respectively. False strain-hardening behavior of UHTCC are achieved under uniaxial tension. The ultimate tensile strain of UHTCC can reach 4%～8%. Compared to RPC technology, higher toughness are obtained using SIFCON technology.

ultral-high-toughness cementitious composite; tensile strain; toughness index; calcium carbonate whisker; steel fiber

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.012

TU528.572

A

1674-4764(2018)01-0083-07

2017-05-12

国家重点研发计划(2017YFB0310003)

张翼(1995-)，男，主要从事高性能混凝土研究，E-mail:842805054@qq.com。

王冲(通信作者)，男，教授，博士生导师，E-mail:wangchnx@126.com。

(编辑 王秀玲)